Основы проектирования и моделирования вычислительных сетей

В. Н. ТАРАСОВ, Н. Ф. БАХАРЕВА




            ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ


Учебное пособие




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 681.324:519.8:004.421
ББК 32.97
     Т19



Рецензент:
д. т. н., профессор кафедры вычислительной техники СамГТУ Орлов С. П.




    Тарасов, В. Н.
Т19 Основы проектирования и моделирования вычислительных сетей : учебное пособие / В. Н. Тарасов, Н. Ф. Бахарева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -212 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1175-2

          Представлены общие сведения об известных программных продуктах, используемых в предметной области, вероятностно-временные характеристики передачи на базе непрерывных марковских моделей, основные результаты теории массового обслуживания, принципы создания имитационных моделей на основе дискретно-событийного моделирования и принципы топологического проектирования сетей. Приводятся примеры, демонстрирующие возможности применения рассмотренных методов моделирования.
          Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника», 09.04.04 «Программная инженерия», 27.04.04 «Управление в технических системах».


УДК681.324:519.8:004.421
                                                 ББК 32.97











ISBN 978-5-9729-1175-2

     © Тарасов В.Н., Бахарева Н. Ф., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ........................................................5
1. ИЗВЕСТНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И
МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ..............................7
1.1. Краткий обзор известных программных систем.................7
1.2. Программные системы Opnet Modeler и Riverbed Modeler......11
1.3. Технология IT GURU........................................13
1.4. Проектирование небольших объединенных сетей...............17
2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ..........................................................36
2.1. Система, модели, моделирование............................36
2.2. Вероятностно-временные характеристики передачи на базе непрерывных марковских моделей.............................................39
2.2.1. Классификация и структура систем массового обслуживания.41
2.2.2. Основные принятые обозначения...........................43
2.2.3. Общие результаты для всех видов СМО.....................47
2.3. Системы с пуассоновским входным потоком...................49
2.3.1. Система М/М/1...........................................50
2.3.2. Система М/М/т...........................................54
2.3.3. Система M/G/1...........................................57
2.4. Система G/G/1.............................................57
3. СПЕКТРАЛЬНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ РЕШЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО
УРАВНЕНИЯ ЛИНДЛИ...............................................59
3.1. Метод спектрального разложения для системы M/M/1..........59
3.2. Метод спектрального разложения для системы Е2/Е2/1......63
3.3. Метод спектрального разложения для системы Н2/Н2/1......65
3.4. Математическая модель марковской сети очередей. Уравнения баланса потоков........................................................72
3.5. Практическое применение сетей массового обслуживания......77
3.5.1. Определение задержки источник-адресат...................77
3.5.2. Определение загрузки каналов и других устройств.........80
4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ. ДИСКРЕТНОСОБЫТИЙНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.......................................83
4.1. Моделирование системы массового обслуживания с одним устройством.
Критерии качества работы системы...............................83
4.2. Компьютерное представление состояния системы..............90
4.3. Организация и логика программы...........................101
5. ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ
СЕТИ..........................................................109
5.1. Принципы топологического проектирования сетей............109
5.2. Описание задачи синтеза топологии сети...................113
5.3. Комбинаторный алгоритм топологической оптимизации сети передачи информации...................................................114
5.4. Оптимизация топологической структуры по критериям стоимости и надежности...................................................116

3

5.5. Общая задача топологического синтеза компьютерной сети..120
6. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ....................................123
6.1. Проектирование и моделирование сети кафедры ВУЗа........123
6.2. Проектирование и моделирование ЛВС многоэтажного здания..137
6.3. Проектирование и оптимизация сети.......................146
6.4. Лабораторная работа № 4. Внедрение и использование коммутированных ЛВС..........................................................156
6.5. Применение межсетевого экрана для управления трафиком вычислительной сети..........................................166
6.6. Проектирование беспроводных сетей и управление доступом к среде передачи.....................................................180
6.7. Моделирование протокола контроля передачи TCP...........194
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................207

4

ВВЕДЕНИЕ


    Учебное пособие написано в соответствии с требованиями, предъявляемыми к подготовке магистров по направлениям «Информатика и вычислительная техника», «Программная инженерия» и «Управление в технических системах».
    В первой части пособия изложены основные сведения по известным программным продуктам для проектирования и моделирования вычислительных сетей, о моделях и моделировании систем, в том числе об аналитическом моделировании на основе теории массового обслуживания и об имитационном дискретно-событийном моделировании. Подробно изложены вероятностно-временные характеристики передачи на базе непрерывных марковских моделей и математические модели марковской сети очередей на основе сетей массового обслуживания с кратким описанием истории возникновения предметной области.
    В пособии также изложены принципы топологического проектирования сетей и алгоритм топологической оптимизации сети передачи информации.
    Во второй части пособия представлен лабораторный практикум, включающий вопросы построения имитационных моделей вычислительных сетей различной конфигурации и их моделирования на основе выбора глобальных статистик как показателей производительности сетей. Лабораторный практикум базируется на программных системах дискретно-событийного моделирования OPNET Modeler и RIVERBED Modeler IT GURU Academic Edition с качественным графическим редактором.
    В учебное пособие авторы включили кроме своих результатов в данной обрасти наиболее интересные результаты монографии В. М. Вишневского «Теоретические основы проектирования компьютерных сетей».
    Пособие дает обучающимся знания из предметной области, знакомит с общими принципами и методами построения моделей в области как вычислительных сетей, так и сетей передачи данных в общем.
    Излагаемый материал базируется на компетенциях, приобретенных студентами в результате изучения дисциплин: «Математика», «Теория вероятностей и математическая статистика», «Проектирование и моделирование компьютерных сетей».
    Моделирование - одна из основных категорий теории познания. На идее моделирования, по существу, базируется любой метод научного исследования, как теоретический, так и экспериментальный.

5

    Можно отметить и такой существенный фактор, способствующий значительному повышению интереса к методам моделирования как в науке и технике, так в других областях, как развитие и широкое распространение средств вычислительной техники и программного обеспечения. С помощью моделей, реализованных на компьютере, можно изучать новые явления, решать практически все задачи анализа и проектирования сложных систем, осуществлять выбор наилучших вариантов решений, выполнять анализ и прогнозирование поведения компьютерных сетей и решать множество других задач. Этому посвящена вторая часть учебного пособия, ориентированная на среду OPNET Modeler и RIVERBED Modeler IT GURU Academic Edition.

6

1. ИЗВЕСТНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

1.1. Краткий обзор известных программных систем

    Для моделирования сетей передачи данных существует множество разнообразных решений от ведущих производителей, таких как Cisco Systems, Comnet, Omnet, Comdisco, D-Link, CACI Products, HP, IBM, IT GURU, MathSoft и многих других. Основные из них приведены в таблице 1.1.
    Все эти продукты используют методы имитационного моделирования для определения показателей производительности сетей. Некоторые продукты (IT GURU Opnet Modeler, Riverbed Modeler, Comnet, Netmaker и др.) имеют в своих базах полное описание реальных аппаратных средств, таких как маршрутизаторы, коммутаторы, серверы и рабочие станции. Кроме того, эти продукты позволяют учитывать огромное количество нюансов, как задержки среды передачи данных, типы приложений сети, динамическая маршрутизация, брандмауэр и т. д.
    Точность измерений характеристик сети подтверждается признанием этих продуктов ведущими мировыми производителями аппаратно-программных сетевых средств, например, Cisco systems, HP, 3Com, D-link. Cisco systems вообще рекомендует всем проектировщикам использовать продукты IT GURU Opnet Modeler, Riverbed Modeler для первоначального сбора и проверки полнофункциональной распределенной мультисервисной сети. D-link использует при создании типовых проектов систему Comnet, HP использует Comnet и Netmaker.
    Самые известные пакеты моделирования COMMNET, Opnet Modeler, Riverbed Modeler позволяют выбрать для модели реальное оборудование из достаточно обширной базы ресурсов, которую специалисты компании собирали много лет. Точность моделирования такого оборудования достаточно высока, особенно если учесть, что можно задавать в параметрах практически все свойства аппаратного и программного обеспечения, вплоть до объема памяти и протоколов маршрутизации.


7

Таблица 1.1

Основные решения для моделирования сетей

Компания             Стоимость                       Примечания                     
и продукт                                                                           
        1                2                                3                         
                                    Моделирует сети X.25, ATM, Frame Relay, связи   
  CACI Product,                      LAN-WAN, SNA, DECnet, протоколы OSPF, RIP.     
    COMNET III     $34500-$39500    Доступ CSMA/CD и токенный доступ, FDDI и др.    
                                     Встроенная библиотека маршрутизаторов 3COM,    
                                              Cisco, DEC, HP, Wellfleat             
Make System,                          Проверка данных о топологии сети; импорт      
NetMakerXA         $6995-$14995      информации о трафике, получаемой в реальном    
                                                       времени                      
     NetMagic                          Поддержка стандартных тестов измерения       
System,StressMagik $2995          производительности; имитация пиковой нагрузки на  
                                                     файл-сервер                    
                                        Определение оптимального расположения       
                                   концентратора вГС, возможность оценки экономии   
Network Design and                 средств за счет снижения тарифной платы, смены   
 Analysis Group,      $25000         поставщика услуг и обновления оборудования;    
AutoNet/ Designer                     сравнение вариантов связи через ближайшую     
                                   и оптимальную точку доступа, а также через мост  
                                              и местную телефонную сеть             
Network Design and                 Моделирование производительности иерархических   
 Analysis Group,   $4000                сетей путем анализа чувствительности        
     AutoNet/                         к длительности задержки, времени ответа,      
  Performance-1                          а также узких мест в структуре сети        
                                          Моделирование производительности          
Network Design and                     многопротокольных объединений локальных      
 Analysis Group,   $6000         и глобальных сетей; оценивание задержек в очередях,
     AutoNet/                    прогнозирование времени ответа, а также узких мест 
  Performance-3                   в структуре сети; учет реальных данных о трафике, 
                                         поступающих от сетевых анализаторов        
System& Networks,  $20000-$40000     Анализ воздействия приложений клиент-сервер    
      BONES                               и новых технологий на работу сети         
                                    Имеет библиотеку различных сетевых устройств,   
       MIL3        $16000-$40000    поддерживает анимацию, генерирует карту сети,   
                                            моделирует полосу пропускания           
  Cisco Systems,                  Моделирует глобальные сети и каналы связи, имеет  
    Cisco WAN      $3000               жесткую привязку к оборудованию Cisco,       
  modeling tool                   для которого дает очень точные результаты. Умеет  
                                        автоматически генерировать схему сети       
  Cisco Systems,                                                                    
  Cisco Network                     Чрезвычайно мощное решение для моделирования    
   Application     $10000-$60000 всех этапов проектирование и создания сети, включая
   Performance                           пилотные сети и стресс-тестирование        
 Analysis (NAPA)                                                                    

8

Окончание таблицы 1.1

    Компания        Стоимость                      Примечания                   
    и продукт                                                                   
        1               2                              3                        
                                 Программа дискретно-событийного моделирования  
   GPSS/World      $3000-$6000     без графического редактора. Предоставляет    
                                         бесплатную студенческую версию         
   MathWorks,                     Комплексное решение для моделирования систем  
Mathlab/Simulink   $3500-$7000  массового обслуживания. Мощная, но очень сложная
                                            в использовании система             
                                  ПО для симуляции движения линейных, нелиней-  
     VisSim       $100-$3000    ных, непрерывных, дискретных, гибридных моделей 
                                                     систем                     
                                 Моделирование локальных и глобальных сетей на  
  SES/Workbench      От $500       уровне приложений, канальном и физическом    
                                                    уровнях                     
                   Бесплатная     Модульная среда имитационного моделирования   
OMNeT++/OMNEST    академическая    с поддержкой огромной базы готовых моделей   
                     версия                                                     
  IT GURU Opnet    Бесплатная    Среда имитационного моделирования с поддержкой 
Modeler, Riverbed академическая          огромной базы готовых моделей          
     Modeler         версия                                                     
                                    Предоставляет возможность проектирования    
                   Бесплатный      компьютерной сети через Интернет, а также    
    NetWizard      онлайновый       возможность ее оптимизации. Пользователь    
                     сервис        на выходе получает структурную схему сети    
                                   и сметную стоимость активного и пассивного   
                                               оборудования сети                

    Рассмотрим подробнее некоторые системы.
    Программная система COMNET
    Семейство COMNET включает следующие системы:
    1)     COMNET III - система стохастического дискретного событийного моделирования систем массового обслуживания. Позволяет детально моделировать сети как СМО, построенные с использованием всех известных технологий и протоколов: ATM, Frame Relay, FDDI, TCP/IP, клиент-сервер и т. д. Результатами моделирования являются оценки производительности различных вариантов построения исследуемой локальной или глобальной сети, учитывая при этом стоимостные характеристики;
    2)     ADVANCED FEATURES PACK - данный пакет предоставляет дополнительные возможности пакету COMNET III для точного моделирования распределенного программного обеспечения клиент-серверных архитектур;

9

    3)      COMNET Predictor - система быстрого временного анализа. Предоставляет возможность быстро оценить производительность локальных и глобальных сетей. На основе импортированных данных по топологии, протоколам и трафику пользователю предоставляется возможность изменить такие параметры, как топология, трафик, состав оборудования, полоса пропускания, протоколы и быстро получить результат в виде отчетных графических форм;
    4)      COMNET Baseliner - система импорта данных. Предназначен для импорта данных о топологии и протоколам из установленных у пользователя систем управления и мониторинга сетей с целью создания базовых моделей для пакетов COMNET III и COMNET Predictor;
    5)      COMNET Enterprise Profiler - система мониторинга сети. Позволяет производить мониторинг и сбор статистики в сети без возможности администрирования. Может интегрироваться с другими системами мониторинга и управления;
    6)      NETWORK II.5 - автономный пакет для анализа производительности используемых компьютерных систем. Позволяет проводить моделирование компьютерной архитектуры любого типа.
    Главное окно системы COMNET показано нарисунке 1.1.


Рис. 1.1 - Главное окно системы COMNET

10

    При моделировании в COMNET затрагиваются следующие уровни эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI ISO + IEEE 802): приложений, транспортный, сетевой, канальный. На уровне приложений описываются источники трафика - сообщения, сеансы, отклики, вызовы, поведение программного обеспечения. На транспортном уровне - транспортные протоколы и их параметры. На сетевом уровне: алгоритмы маршрутизации, потоки пакетов, таблицы маршрутизации, штрафные функции. Канальный уровень - непосредственно передача пакетов, ретрансляция, описание каналов.
    Модель строится из базовых объектов посредством принципа «drag-and-drop». COMNET поддерживает 18 основных видов дискретных и непрерывных распределений. Кроме того, пользователь может задать табличные распределения. Система дает возможность посмотреть около 200 различных параметров компонентов: загрузка каналов, рабочих станций серверов, задержки сообщений и т. д.
    Если на предприятии установлена какая-либо система мониторинга и управления сетью, возможно автоматическое получение данных по топологии и трафику из таких систем, как COMNET Profiler, IBM Tivoli NetView, CABLETRON Spectrum, HP OpenView, D-link Dview и др.
    Основные преимущества COMMNET - это скорость, а также учет пакетного характера трафика данных. Несмотря на то, что Comnet III не имеет конкурентов по части подробного моделирования, в случае большой и сложной сети этот процесс может затянуться на несколько часов.

1.2. Программные системы Opnet Modeler и Riverbed Modeler

    Системы Opnet Modeler и Riverbed Modeler интегрируют в себя большое количество различных инструментов создания и анализа моделей. Они предлагают пользователям графическую среду для создания, выполнения и анализа событийного моделирования сетей связи. Также возможно осуществить с помощью программы проверку правильности аналитических моделей и описание протоколов. После окончания моделирования пользователь получает в свое распоряжение следующие характеристики по производительности сети:
    -      прогнозируемые задержки между конечными и промежуточными узлами сети, пропускные способности каналов, коэффициенты использования сегментов, буферов и процессоров;


11

    -      пики и спады трафика как функцию времени, а не как усредненные значения;
    -      источники задержек и узких мест сети.
    Система Opnet Modeler (Riverbed Modeler) оперирует с узлами трех типов -процессорными узлами, узлами-маршрутизаторами и коммутаторами. Узлы могут присоединяться с помощью портов к коммуникационным каналам любого типа, от каналов локальных сетей до спутниковых линий связи. Узлы и каналы могут характеризоваться средним временем наработки на отказ и средним временем восстановления для моделирования надежности сети [9-12].
    Моделируется не только взаимодействие компьютеров в сети, но и процесс разделения процессора каждого компьютера между его приложениями. Работа приложения моделируется с помощью команд нескольких типов, в том числе команд обработки данных, отправки и чтения сообщений, чтения и записи данных в файл, установления сессий и приостановки программы до получения сообщений. Для каждого приложения задается так называемый репертуар команд.
    Каналы связи моделируются путем задания их типа, а также двух параметров - пропускной способности и вносимой задержки распространения. Единицей передаваемых по каналу данных является кадр. Пакеты при передаче по каналам сегментируются на кадры. Каждый канал характеризуется: минимальным и максимальным размером кадра, накладными расходами на кадр и интенсивностью ошибок в кадрах. Связь с глобальной сетью имитируется с помощью канала доступа, который имеет определенные задержку распространения и пропускную способность.
    Рабочая нагрузка создается источниками трафика. Каждый узел может быть соединен с несколькими источниками трафика разного типа.
    Источники-приложения генерируют приложения, которые выполняются узлами типа процессоров или маршрутизаторов. Узел выполняет команду за командой, имитируя работу приложений в сети. Источники могут генерировать сложные нестандартные приложения, а также простые, занимающиеся в основном отправкой и получением сообщений по сети.
    Для работы в программной системе Riverbed Modeler сначала необходимо установить стандартные и учебные модели. Они могут быть установлены автоматически по умолчанию вместе с программной системой [13-14]. В дальнейшем под словосочетанием IT Guru будем иметь ввиду именно эту программную систему.

12